Smísením nanokrystalů a nanovláken celulózy lze vytvořit materiál pro 3D tisk se zajímavě modifikovatelnými vlastnostmi vhodnými kupříkladu pro výrobu precizní izolace v mikroelektronice nebo pro personalizované lékařské implantáty. Biologicky rozložitelné materiály, inkousty pro 3D tisk a aerogely nemají na první pohled mnoho společného. Všechny jsou slibné pro budoucnost, i když jiným způsobem. Rozložitelné materiály nezvětšují množství odpadu, 3D tisk představuje výrobu komplexních struktur a aerogely jsou ultralehké a současně jsou excelentními tepelnými izolátory. Odborníci Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) nedávno zkombinovali všechny tři uvedené typy materiálu do jediného. Vznikl 3D tisknutelný aerogel založený na celulóze, který má zajímavé vlastnosti. Doktorand Deeptanshu Sivaraman a jeho spolupracovníci využili nejběžnější biopolymer na planetě — celulózu. Vlastností potřebných pro inkoust do 3D tiskárny docílili smísením nanokrystalů a nanovláken celulózy. Nanokrystaly zajistí, že inkoust pod tlakem v tiskárně zkapalní, a je možné ho protlačit tryskou. Nanovlákna, která jsou podstatně delší než nanokrystaly, zase dodají potřebnou viskozitu, která udrží vytištěný aerogel v požadovaném tvaru, než ztvrdne. Výsledný materiál obsahuje asi 12 % celulózy a 88 % vody a obejde se bez jakýchkoliv přísad nebo plniv. To je dobrá zpráva nejen pro biologickou rozložitelnost finálních aerogelových produktů, ale také pro jeho tepelněizolační vlastnosti. Díky vysoké poréznosti a malé velikosti pórů jsou totiž aerogely velmi účinnými tepelnými izolátory. Aby se inkoust po vytištění proměnil v aerogel, vědci nahradili vodu v pórech nejprve etanolem a poté vzduchem, to vše při zachování věrnosti tvaru. Čím méně pevných látek inkoust obsahuje, tím je výsledný aerogel poréznější. Sivaraman s kolegy navíc zjistili, že jejich 3D tištěný celulózní aerogel je anizotropický. Jeho tepelná vodivost a pevnost jsou tedy závislé na směru. Podle badatelů je to vlivem orientace nanovláken a částečně i vlivem tiskového procesu. Při 3D tisku lze tedy „nastavit“, která osa tištěného objektu z aerogelu bude obzvláště stabilní nebo tepelně izolující. Tímto způsobem je možné vyrábět přesně nastavené komponenty pro mikroelektroniku, kde by možné teplo mělo vést jen určitým směrem.
Mnoho potenciálních aplikací v medicíně
Ačkoli se původní výzkumný projekt, který byl financován Švýcarskou národní vědeckou nadací (SNSF), zajímal především o tepelnou izolaci, vědci brzy našli i další oblast použití jejich tisknutelného bioaerogelu: medicínu. Jelikož se nový aerogel skládá z čisté celulózy, je biokompatibilní s živými tkáněmi a buňkami. Jeho porézní struktura je schopna absorbovat léky a následně je dlouhodobě uvolňovat do těla. A 3D tisk nabízí možnost výroby přesných tvarů, které by mohly sloužit například jako lešení pro růst buněk nebo jako implantáty. Zvláštní výhodou je, že potištěný aerogel lze po počátečním sušení několikrát rehydratovat a znovu vysušit, aniž ztratí svůj tvar nebo porézní strukturu. V praktických aplikacích by to usnadnilo manipulaci s materiálem: mohl by být skladován a přepravován v suché formě a pouze krátce před použitím namočen ve vodě. V suchém stavu je nejen lehký a pohodlný na manipulaci, ale také méně náchylný k bakteriím — a nemusí být náročně chráněn před vysycháním. „Pokud chcete do aerogelu přidat aktivní složky, lze to provést v posledním kroku rehydratace bezprostředně před použitím,“ říká Sivaraman. „Pak neriskujete, že léky ztratí účinnost časem, nebo pokud budou nesprávně skladovány.“ /sm/
